扁平銅管翅片管冷凝器性能實驗
                                      梁祥飛  邢淑敏  莊嶸  鄭波
           (珠海格力電器股份有限公司制冷技術研究院，廣東珠海519070)
    摘要：對一種新型扁平銅管百葉窗翅片管換熱器（FTHX）進行了單體冷凝性能和整機制冷性能試驗，并與現行銅圓管翅片管換熱器（CTHX）在相同工況下進行了對比。試驗結果表明：FTHX具有風阻低、制冷劑流阻高和系統制冷劑充注量少的特性；FTHX綜合冷凝性能高于φ7銅管換熱器但略低于φ9.52銅管換熱器；FTHX整機制冷能力和能效比均略低于單排φ9.52銅管換熱器。
    關鍵詞：翅片管換熱器  扁平管  百葉窗翅片
    0·前言 
    空調原材料上漲和能效比的提高加速了高效換熱器的研發和應用。翅片管換熱器管徑小型化是高效換熱器發展趨勢之一，管徑減小可以同時降低風阻和制冷劑充注量，具有類似效果的另外一種可能的發展趨勢是圓管橢圓化或扁平化。ARTI的一篇研究報告[1]指出，當φ9.52×0.3銅管壓扁后的高度為2.57mm時，光滑扁管冷凝傳熱強化因子可達1.7～2.3，內螺紋扁管冷凝傳熱強化因子則高達3.5～4.5。扁平管橫截面示意圖見圖1，扁平管是指橫截面外型線為兩條平直線與兩條近似半圓組合而成，橢圓管則指橫截面外型線為橢圓。圖2示出扁平管與圓管流通面積之比（亦是內容積之比）的理論計算值與扁管高度的變化趨勢，可見圓管扁平化后的內容積與圓管內容之比將隨著扁管高度的降低而迅速減小。當扁管高度為2mm時，扁平管的內容積分別為φ9.52×0.3和φ7×0.3的28.9%和39%。 
                  
             
    扁平管翅片管換熱器的風阻也將由于扁管的形體阻力大幅降低而降低，且管后的低速尾流區大幅縮小、翅片效率有所提高都有利于提高空氣側傳熱系數。為了綜合評估這種新型換熱器在家用空調器中的應用可行性，有必要對該種換熱器的性能進行實驗研究和對比分析。
    本文對一種新型扁平銅管百葉窗翅片管換熱器進行單體換熱器冷凝性能試驗，并將其折彎后進行整機制冷性能匹配試驗，同時與φ9.52和φ7內螺紋銅管百葉窗翅片管換熱器進行了單體和整機性能對比。
    1·試驗樣件及試驗方案
    1.1試驗樣件
    本文所采用的扁平銅管翅片管換熱器基本參數列于表1中，同時列入表1中的還有兩種對比用內螺紋銅管翅片管換熱器。扁平銅管換熱器FTHX為φ7光銅管（壁厚0.3mm）經特殊工藝壓扁并按傳統脹管工藝制作，翅片孔和脹頭的形狀均與扁管相適應。圖3為該換熱器的局部照片，圖4為其流路布局示意圖。三種翅片管換熱器的迎風尺寸長度相同，高度相近（為保證裝機）。試驗用FTHX有30根直管但實際僅用29根管，后文對比分析時將就此作特別說明。
            
    1.2試驗方案
    先采用直板形式的換熱器進行單體冷凝性能對比試驗，然后折彎后裝機進行整機制冷性能匹配對比試驗。
    為保證換熱器單體冷凝試驗數據的可比性，進風干/濕球溫度、迎面風速、制冷劑入口壓力、制冷劑入口過熱度、制冷劑出口過冷度均受控。制冷劑為R-22。風阻對比試驗時采用通風工況（無熱交換），此時僅控制進風干/濕球溫度和迎面風速。整機制冷性能匹配對比試驗時，內機不變，僅更換室外機冷凝器，調節制冷劑充注量和電子膨脹閥開度使整機制冷量和制冷能效比匹配到接近或達到最優水平。
    單體換熱器冷凝換熱性能試驗和整機制冷性能匹配試驗都在格力兩器暨空調焓差實驗臺上完成。
    2·試驗結果及分析
    2.1單體換熱器冷凝性能試驗結果
    空氣側試驗工況為：進風干濕球溫度35/24℃，迎面風速（折算進風風量與迎風面積之比）范圍為0.5～2.8m/s；制冷劑側試驗工況為：制冷劑R22，入口壓力（絕對）1.729～2.033MPa，入口過熱度20℃，出口過冷度2～8℃。
    扁平銅管換熱器FTHX的風阻試驗曲線示于圖5中，作為對比，同時示于此圖中的還有φ7換熱器CTHX-7和φ9.52換熱器CTHX-9.52的風阻試曲線。可見，相同風速下FTHX的風阻最低，迎面風速2m/s時，風阻為14.3Pa，分別比CTHX-7和CTHX-9.52低29%和46%。
    從表1可見，FTHX的片距和CTHX-7的相近，空氣流向長度大70%，孔距也有所減小，但風阻卻顯著下降，其主要原因在于圓管壓扁后的形體阻力大幅下降。
            
    將三種換熱器的單體冷凝能力在對比工況下進行處理后所得到的單位迎風面積相對冷凝能力(Qc/Ay)/(Qc/Ay)R與迎面風速vy的變化曲線示于圖6中，其中扁平銅管換熱器FTHX的冷凝能力已經按1.0345（=30/29）修正因子給予修正。
              
    由圖6可見，在相同迎面風速下，扁平銅管換熱器FTHX的單位迎風面積冷凝能力在實用風速范圍內與φ7換熱器CTHX-7的相當或略低，但明顯低于φ9.52換熱器CTHX-9.52，低約10%。考慮到相同風速下的風阻不同，為了綜合評價，采用冷凝能力-風機理論功耗曲線進行對比，處理所得到的單位迎風面積相對冷凝能力(Qc/Ay)/(Qc/Ay)R隨單位迎風面積理論功耗（表示單位迎風面積總壓功耗）Δpa,t×va（Δpa,t為風機產生的動壓與靜壓之和，va取出口風速）的變化曲線示于圖7中。
              
    從圖7中可見，當單位迎風面積理論功耗相同時，扁平銅管換熱器FTHX的單位迎風面積冷凝能力明顯高于φ7換熱器CTHX-7，而略低于φ9.52換熱器CTHX-9.52。
    圖8為不同工況下三種規格換熱器管內制冷劑側流阻試驗值隨制冷劑相對流量變化曲線，由此圖可見，扁平銅管換熱器FTHX管內流阻遠高于φ7換熱器CTHX-7和φ9.52換熱器CTHX-9.52。扁平管流通面積相對圓管大幅減小使得管內質量流速增加，而扁管內壁面速度梯度也被相對提升，這兩方面均造成扁平管內流動阻力大幅上升。另外，試驗所用扁平管換熱器流路布局方式適合冷凝（圓管翅片管換熱器的流路布局為熱泵型空調器用的折衷布局方式），多流路數的流程短而少流路數的流程長，這也使得扁平管換熱器的管內流阻相對較大。
             
    扁平管換熱器的管內制冷劑高流阻的特點將使得該種換熱器的應用范圍局限于冷凝器，且只能用于單冷機型的冷凝器。
    值得說明的是，扁平銅管換熱器制造工藝尚不成熟，扁平銅管換熱器在性能上還存在一些提升空間。
    2.2整機制冷性能匹配試驗結果
    采用格力某款家用分體壁掛空調器（熱泵型，壓縮機排量19.3cc/rev）進行制冷性能匹配對比試驗，試驗數據列于表2中。從表2中可見，扁平銅管換熱器FTHX的整機制冷能力和能效比高于φ7內螺紋管換熱器CTHX-7但低于φ9.52內螺紋管換熱器CTHX-9.52，制冷劑充注量分別減少150g（18.7%）和250g（27.8%）。
             
    考慮到試驗所用扁平銅管換熱器實際僅用了30根管中的29根，因此若將此根管合理用上則整機制冷能力和能效比將更接近或達到φ9.52內螺紋管換熱器的水平。因此，整機對比試驗結論與單體換熱器冷凝對比試驗結論是完全吻合的。
    整機轉額定制熱試驗時扁平銅管換熱器迅速出現結霜現象，扁平銅管換熱器管內制冷劑流阻很高是導致額定制熱時冷凝器結霜的原因。
    3·結論
    本文對新型扁平銅管百葉窗翅片管冷凝器進行了單體換熱和整機試驗，并在相同試驗條件下與現行內螺紋銅管換熱器進行了對比，試驗結果表明：
    1）扁平銅管換熱器具有風阻低、制冷劑流阻高和系統制冷劑充注量少的特性，風速2m/s時其風阻分別比φ7銅管換熱器和φ9.52銅管換熱器低約29%和46%；
    2）扁平銅管換熱器的單體綜合冷凝性能明顯高于φ7銅管換熱器而略低于φ9.52銅管換熱器，扁平銅管換熱器的整機能力和能效比均略低于φ9.52銅管換熱器，制冷劑充注量相對減少27.8%；
    3）扁平銅管換熱器僅能用于單冷機冷凝器。本文試驗所采用的是光滑扁平銅管，若采用內螺紋扁平銅管或橢圓管將使管內傳熱系數進一步得到顯著提高，且使用橢圓管將有助于降低管內流阻從而有望用于熱泵型空調器的冷凝器。
參考文獻
[1]Wilson J W,Chato J C,Newell T A.CDA FlattenedCopper Tube Project 
Final Report.ARTI Final Report.CDA-Report2,2001.